複變函數:極限、連續與映射觀點

極限與趨近方向無關(directional independence of the limit)

這是使複極限變得苛刻的唯一特徵,因此值得自成一個名字。要使 f(z) 在 z 趨於 z_0 時的極限存在並等於 L,無論 z 以何種方式潛行向 z_0,輸出都必須趨近 L——而在平面上潛行的方式有無窮多種:沿無窮多方向之一筆直走、沿一條曲線走、沿一條螺線走。這每一種趨近都必須在同一個 L 上達成一致。

這給了你一個乾淨而有力的「不存在」判別法。只要你能找到兩條進入 z_0 的不同路徑,沿著它們 f 趨於兩個不同的值,極限就不可能存在——結束。經典例子是 f(z) = z-bar/z 在 z_0 = 0 附近。沿正實軸趨近(z = t,t -> 0+):則 z-bar/z = t/t = 1。沿虛軸趨近(z = i t):則 z-bar/z = (-i t)/(i t) = -1。兩條路、兩個答案,所以無極限。注意你甚至不必測試每一條路——一處不一致就是致命的。

把這和單變數實極限對照,那裡「所有趨近」只意味左極限和右極限;兩個數一致就夠了。躍升到一整個方向圓盤,正是為什麼複極限、以及建立其上的複導數,比它的實表親僵硬得多。這份僵硬不是麻煩——它正是後來全純函數那令人驚嘆的剛性與平滑性的源頭。

對 f(z) = Re(z)/|z| 在 0 附近:沿正實軸值為 1,沿正虛軸值為 0。既然兩條趨近不一致,0 處的極限不存在——一個反例就定案。

要證明極限不存在,舉出兩個給出不同值的趨近方向即可。

留意邏輯:找到許多一致的方向並不能證明極限存在(可能有你漏掉的狡猾路徑),但找到兩個不一致的方向就足以證明它不存在。一致必須一般性地論證;不一致只需一對。

又称
path-independence of a limitall approaches must agree趨近方向無關性